核电磁脉冲环境下舰船桅杆及不均匀双绞线的耦合特性研究

发布时间：2020-10-09 21:11

　　强电磁脉冲环境是现代舰船所面临的一大严峻威胁,核电磁脉冲环境是一种典型的强电磁脉冲环境。核电磁脉冲可通过“前门耦合”或者“后门耦合”将能量耦合到屏蔽腔体内部,“后门耦合”又可分为孔缝耦合以及传输线耦合。为了更好地预测舰船在核电磁脉冲环境下的电磁耦合特性,本文基于时域有限积分法以及传输线分析法,量化研究了舰船桅杆及双绞线在核电磁脉冲环境下的电磁耦合特性。进一步,针对现实中双绞线存在的不均匀扭曲现象,引入特征因子——不均匀度,建立不均匀双绞线在核电磁脉冲环境下的时域耦合模型。通过数值分析和实验验证,详细研究了核电磁脉冲环境与舰船桅杆及不均匀双绞线的耦合特性。本文的主要研究成果如下:(1)针对舰船上的典型桅杆,基于时域有限积分法,研究其在核电磁脉冲环境下的耦合特性。建立了四种不同的桅杆模型,详细研究了在入射波采用不同极化方式、从不同角度入射的情况下桅杆的耦合特性。并将全金属材料桅杆与复合材料桅杆的耦合特性进行了对比;(2)针对双绞线,建立了双绞线在核电磁脉冲环境下的时域耦合模型,编写软件计算模块,研究了双绞线在核电磁脉冲环境下的终端耦合特性。研究发现:扭距越小,则耦合功率越小;总长度并不影响耦合功率曲线的包络,总长度将影响谐振点的分布,耦合功率曲线呈现明显的谐振特性,其耦合功率峰值出现在总长度对应的二分之一频点的奇数倍处,其耦合谷值点出现在总长度对应频点的整数倍处;(3)针对不均匀双绞线,引入不均匀因子,建立不均匀双绞线在核电磁脉冲环境下的时域耦合模型,编写软件计算模块,研究了不均匀性对双绞线终端耦合特性的影响。研究发现:对于总长度相等,扭曲个数相等,但每个扭距尺寸不等的情形,在频域,不均匀性将使得耦合曲线的谐振点分布不明显,谐振特性减弱;在时域,不均匀性将使得电流峰值有起伏变化。电流峰值的起伏变化范围将随着不均匀度的增加而增大,换而言之,不均匀度的增加将使得电流峰值超过预期值的可能性增加;(4)针对舰船上含穿舱双绞线的典型结构,研究了含穿舱双绞线的桅杆及驾驶舱的耦合特性。并深入研究了在玻璃窗涂敷金属薄膜对驾驶舱屏蔽特性的影响。研究发现:暴露在外的穿舱双绞线长度越长,则双绞线终端的耦合电压越大,舱内的电场峰值也越大;涂覆金属薄膜能有效提高驾驶舱的屏蔽效能。
【学位单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U674.7
【部分图文】：

现代舰船,桅杆结构

电子设备的稳定工作。由于实际工程应用需要，在舰船上有限的空间上敷设了大量的线缆，双绞线是主要的一种线缆类型。图1.1 现代舰船上的桅杆结构因而，研究舰船桅杆和双绞线在核电磁脉冲下的耦合特性是舰船电磁环境防护研究的重要内容之一[9]。国内外的学者都针对电磁脉冲环境下典型结构及线缆的耦合特性做了大量的研究，得到了许多研究成果。但总的来看，仍有一些不足之处，有待进一步地深入研究。首先，国内针对舰船桅杆及上层建筑在核电磁脉冲环境下的耦合特性研究较少，资料匮乏，特别是舰船复合材料桅杆，其研究工作更少；其次，针对双绞线的研究大多基于将双绞线几何结构建模为理想的均匀的双螺旋结构，然而实际应用中，由于制作工艺受限和安装环境约束，双绞线的扭距会发生变化，现有的模型无法对其电磁脉冲耦合特性进行分析。为此，针对上述两点，本文的研究内容主要集中在以下两方面：一

示意图,实验设备,示意图,电磁脉冲

[41]，获得腔体的时域屏蔽效能，其流程见图 1.3。图1.2 实验设备布置示意图X ej ln X k cx n x n X k X k minx n mE tIFTIFTFT窗函数 exp X k图1.3 最小相位法传递函数进行波形重建流程图1.2.2.2 传输线耦合特性研究现状在仿真计算方面，周壁华在其主编的《电磁脉冲及其工程防护》一书中，深入地研究了电磁脉冲及场线耦合问题，将传输线法和时域有限差分法作比较，对模型中的因子进行讨论[42]。安霆等人基于传输线理论，推导出了能够实际应用于计算机编程的算式，借助

参考平面,传输线,雷电电磁脉冲

[48]。图1.4 具有不同参考平面的传输线在实验研究方面，王浩等人模拟了雷电电磁脉冲环境，实验研究了在雷电电磁脉冲环境下的双绞线的耦合特性，实验结果发现，脉冲的上升沿对感应电压值影响较大，脉冲的宽度对感应电压的影响较小，线缆的长度对感应电压的主要频段有影响，总长度的增加将导致感应电压的主要频段降低。在此基础上，进一步研究了在雷电脉冲作用下的树形双绞线网络的耦合特性[49][50]。杨茂松等人，理论推导并实验验证分析了大电流注入替代强电磁波辐射的可行性[51]。李祥超等人针对双绞线耦合雷电电磁脉冲的问题，进行了理论推导及试验验证，搭建了双绞线遭受雷电电磁脉冲攻击的实验模型，获得了在雷电电磁脉冲环境下双绞线终端的耦合特性[52]。虽然核电磁脉冲对孔缝、线缆的耦合效应有众多理论研究

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